Bước tiến nhỏ tới tham vọng lớn

Với tham vọng tái tạo "hành tinh lửa", Trung Quốc đã lấy tên nhân vật được coi là biểu tượng của lòng dũng cảm Khoa Phụ để đặt cho Cơ sở Nghiên cứu toàn diện về Công nghệ Nhiệt hạch (CRAFT), tọa lạc tại tỉnh An Huy của Trung Quốc, trung tâm nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân lớn nhất của quốc gia này, một mảnh ghép trong tham vọng có được một Mặt Trời nhân tạo.

Bước đệm quan trọng  

Trung tuần tháng 9 vừa qua, những hình ảnh đầu tiên về không gian bên trong tòa nhà chính vừa mới hoàn thiện tại cơ sở này lần đầu tiên được công bố trên truyền thông đại chúng. Theo kế hoạch, toàn bộ cơ sở hạ tầng của CRAFT dự kiến hoàn thành vào cuối năm 2025, song các dự án về "Mặt Trời nhân tạo" đã sớm được thúc đẩy tại đây.

Hình ảnh công bố cho thấy một số thành phần đang được thử nghiệm của cơ sở, bao gồm nguyên mẫu của một trong tám mảnh ghép lớn màu cam kết hợp với nhau để tạo thành một buồng chân không hình bánh vòng rỗng, nơi các thí nghiệm nhiệt hạch sẽ diễn ra. Nói cách khác, tám mảnh hình bán nguyệt sẽ được ghép lại, giống như các múi của quả cam, để tạo thành buồng chân không hình bánh vòng cho các thí nghiệm nhiệt hạch. Tại các cơ sở nghiên cứu, người ta cũng được thấy một nam châm siêu dẫn nặng hơn 700 tấn được sử dụng cho phản ứng tổng hợp từ tính (MCF).

Phản ứng nhiệt hạch, hay là quá trình tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ dính kết với nhau để tạo thành nguyên tử nặng hơn và giải phóng năng lượng. Thường phản ứng nhiệt hạch, không có các sản phẩm phụ phóng xạ, xảy ra với sự tham gia của deuterium và tritium, hai đồng vị nặng của nguyên tố hydro - hydrogen thường được tìm thấy trong đại dương (deuterium được rút ra từ nước, và tritium được sản xuất từ lithium, một kim loại nhẹ có ở khắp mọi nơi trên thế giới). Một kilogam nhiên liệu có thể sản sinh ra năng lượng tương đương với 10.000 tấn nhiên liệu hóa thạch. Hoặc một lít nước biển được cho là có đủ deuterium để tạo ra năng lượng nhiệt hạch tương đương với việc đốt cháy 300 lít xăng. Phản ứng nhiệt hạch giải phóng khí heli, tương tự cách Mặt Trời tạo ra năng lượng. Nhiệt của Mặt Trời và các ngôi sao trong vũ trụ bắt nguồn từ năng lượng sinh ra do phản ứng tổng hợp các hạt - chính là phản ứng nhiệt hạch. Nói cách khác, Mặt Trời giống như có một lò phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi, nơi với áp lực lớn và nhiệt độ lên tới 16 triệu°C, các hạt nhân nguyên tử hợp nhất và giải phóng năng lượng.

CRAFT là bước đệm quan trọng để Trung Quốc có thể vận hành phản ứng tổng hợp hạt nhân vì nó sẽ được sử dụng để thử nghiệm các công nghệ chủ chốt cho Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt hạch Trung Quốc (CFETR), một thiết bị tokamak mô phỏng phản ứng tổng hợp hydro của Mặt Trời, cho nhiệt độ plasma kỷ lục 120 triệu độ C, dự kiến sẽ hoàn thành vào khoảng năm 2035.

Trung Quốc ra mắt CFETR vào năm 2017, một dự án hỗ trợ công nghệ cho lò phản ứng tokamak lớn hơn được xây dựng ở Pháp, Dự án Lò Phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) trị giá 20 tỷ euro . Là công trình có sự hợp tác giữa 35 quốc gia. ITER là lò phản ứng hạt nhân lớn nhất thế giới, dự kiến bắt đầu hoạt động vào năm 2025 cũng có từ trường mạnh nhất thế giới, mạnh gấp 280.000 lần so với Trái Đất.

Tiềm năng của Mặt Trời "mini"

Thuật ngữ "tokamak" xuất hiện vào những năm 1950 khi các nhà khoa học Liên Xô cho ra đời một thiết bị có dạng một chiếc bánh vòng, ở trung tâm là từ trường chứa plasma được nung nóng đến nhiệt độ cực lớn. Plasma được coi là một dạng vật chất mới, ngoài 3 dạng vật chất quen thuộc đã được biết tới là rắn, lỏng, và khí, tồn tại trong nhân của Trái Đất, đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ lâu.

Nhu cầu về năng lượng phi carbon gia tăng trên toàn cầu là một trong những động lực thúc đẩy các nghiên cứu và nỗ lực phát triển phản ứng nhiệt hạch, thậm chí đưa con người tới gần hơn tham vọng "bắt lấy" Mặt Trời của người khổng lồ Khoa Phụ.

Không giống phân hạch hạt nhân, phản ứng hợp hạch không tạo ra chất thải phóng xạ, song lại có thể tạo ra năng lượng gấp ba đến bốn lần so với phản ứng phân hạch. Phản ứng này cũng không giải phóng carbon dioxide vào khí quyển như nhiên liệu hóa thạch.

Than và khí đốt tự nhiên là những nguồn năng lượng phổ biến đang được sử dụng trên khắp thế giới, song đang dần cạn kiệt và cũng được cho là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, làm tăng nền nhiệt toàn cầu. Phản ứng nhiệt hạch có thể là nguồn năng lượng sạch nhất hiện có vì tái tạo sự vận hành và sản sinh năng lượng của Mặt Trời bằng cách hợp nhất các hạt nhân nguyên tử để tạo ra lượng lớn năng lượng, chuyển hóa điện năng. Quá trình này không yêu cầu nhiên liệu hóa thạch, không để lại chất thải phóng xạ và là giải pháp thay thế an toàn hơn cho năng lượng hạt nhân phân hạch. Nguy cơ xảy ra sự cố hạt nhân cũng rất thấp song phản ứng nhiệt hạch là một quá trình rất mong manh, sẽ ngừng chỉ trong vài giây nếu các điều kiện thích hợp không được duy trì.

Phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở mức nhiệt độ rất cao, hơn 120 triệu độ C. Ở mức nhiệt độ này, mọi vật chất đều tồn tại trong trạng thái plasma. Đây cũng chính là mục tiêu xây dựng cơ bản của các lò phản ứng nhiệt hạch, nhằm tạo ra hỗn hợp plasma với nhiệt độ lên tới 150 triệu độ C. Để kéo dài thời gian cần 3 yếu tố là máy móc có thể chạy trong thời gian dài; nguồn cung nhiệt lượng bền vững cho plasma; và có thể kiểm soát plasma.

Hồi tháng 4/2023, lò tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm (EAST) tại thành phố Hợp Phì ở miền Đông Trung Quốc đã tạo ra và duy trì plasma siêu nóng trong vòng 403 giây, phá vỡ kỷ lục trước đó là 101 giây vào năm 2017. Plasma quá nhiệt đạt tới mức nhiệt nóng hơn khoảng 5 lần so với Mặt Trời. Bước đột phá này là dấu ấn quan trọng trong việc xây dựng các lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch hiệu quả cao, chi phí thấp, với các lò có "chế độ kìm hãm cao", khiến nhiệt độ và mật độ của plasma tăng lên đáng kể. Kết quả thu được đã đặt nền móng vững chắc để cải thiện tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế của các lò phản ứng nhiệt hạch. Lò từng lập vài kỷ lục, bao gồm giữ plasma nóng 70 triệu độ C trong gần 18 phút vào năm 2021 dưới chế độ vận hành khác với thí nghiệm hôm 13/4.

Với các lò như EAST, một trong những tính năng cho phép duy trì nhiệt độ cao một cách hiệu quả là việc sử dụng nam châm siêu dẫn - làm từ chất siêu dẫn là vật liệu tạo ra điện trở bằng không và không thải nhiệt trong điều kiện thích hợp.

Tokamak Energy Ltd, một công ty năng lượng nhiệt hạch thương mại có trụ sở tại Anh đã nghiên cứu và phát triển lò phản ứng nhiệt hạch tokamak hình cầu, sử dụng nam châm cực mạnh để kìm hãm một dòng plasma siêu nóng.

Trong khi đó, lò EAST, bắt đầu hoạt động vào năm 2006, được thiết kế để có thể sử dụng như một nguồn cung năng lượng sạch gần như vô hạn trên Trái Đất, mô phỏng quá trình hợp hạch bên trong các ngôi sao. Trong lõi của một ngôi sao, áp suất cực mạnh và nhiệt độ cao sẽ kết hợp các hạt nhân nguyên tử, tạo ra các nguyên tố mới. Để đạt được phản ứng nhiệt hạch, bốn nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử heli.

Các lò phản ứng tokamak như EAST sử dụng từ trường để "giam giữ" plasma di chuyển hỗn loạn-đôi khi không ổn định-hoặc khí bị ion hóa, ở nhiệt độ cao trong một vòng lặp. Bên trong tokamak, tia laser làm nóng các nguyên tử hydro nặng, như deuterium và tritium, ở nhiệt độ cực kỳ cao, tương tự ngưỡng nhiệt độ nơi quá trình nhiệt hạch bắt đầu trong các ngôi sao. Ở nhiệt độ cao này, các hạt nhân nguyên tử bên trong tokamak sẽ bắt đầu va chạm và giải phóng năng lượng có thể chuyển thành điện năng.

Năm 2022, Hu Jiansheng, Phó giám đốc Viện Vật lý Plasma, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc được tờ Global Times dẫn lời, tuyên bố Trung Quốc đã đạt được 80% nghiên cứu công nghệ quan trọng cần thiết cho năng lượng nhiệt hạch, và quốc gia này hoàn toàn có thể đạt tới mục tiêu kiểm soát năng lượng nhiệt hạch trong vòng 30-50 năm nữa.